工程测试技术—6压电式传感器.ppt

传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。 事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。通常作动态测量。 动态测量时，为了保持一定的输出电压和扩展频带的低频段，就必须提高回路的时间常数。增大电容Ci→电压降低→ 影像传感器的灵敏度。所以采用提高输入阻抗Ri的方法来增大时间常数。 前置放大器的作用： 1、把从传感器输入的高阻抗变为低阻抗输出； 2、把传感器输出的微弱信号进行放大。 重点 压电式传感器有电荷及电压两种输出方式。为了增大输出值，压电传感器往往用两个（较多见）或两个以上的晶体串接或并接： + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - F F + + + + + - - - - - F F + + + + + - - - - - 串联 并联 C串=C/2，U串=2U，Q串=Q C并=2C，U并=U，Q并=2Q 串联： + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - F F C1 C2 适合于以电压做为输出信号。 n 个晶体串接时，输出电荷量与单片晶体电荷相同，总电容为单片晶体电容的1/n，输出电压为单片晶体电压的n倍。 串接时，输出电压大、电容小、时间常数小，适宜测量高频信号和以电压输出的场合。 ? = R?C ? Ri?C 输出电荷量与单片晶体电荷相同 C串=C/n，U串=nU，Q串=Q 适合于以电荷做为输出信号。 + + + + + - - - - - F F + + + + + - - - - - C1 C2 n个晶体并接时，输出电荷量为单片晶体电荷n 倍，总电容为单片晶体电容n 倍，输出电压等于单片晶体电压。 并接时，输出电荷量大、电容大、时间常数大，适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。 输出电压量与单片晶体电压相同 ? = R?C ? Ri?C 并联： C并=nC，U并=U，Q并=nQ 前置放大器的作用：放大信号、阻抗变换 二、测量电路 对应于压电式传感器的两种输出方式，可以采用具有高输入阻抗的前置放大器：电压放大器或电荷放大器。 （1）电压放大器 －A －A Ca Ca Ra Ri Ci Cc C R Ui U0 U0 Ua (a) (b) Ua 其输出电压与输入电压成正比； （传感器的输出电压） 图b：等效电阻R为 C=Cc+Ci 而 等效电容C为 Uim和Sui与Cc有关，当改变电缆长度或布线方法时，Uim和Sui都会改变，从而导致测量误差。 若压电器件上作用静态力（? = 0），Uim和 Sui均等于0。即压电传感器不能测量静态力。 若被测量是准静态量，必须增大测量回路时间常数，以维持(?RC)2 1，减少?对Uim和Sui 的影响。显然增加电容C会降低灵敏度，而一般Ra很大，故只有增加Ri。 Ri越大，低频响应越好。下限频率： （一般RaRi） 对动态测量，?较大，易满足(?RC)2 1，此时Uim和Sui 近似与? 无关，即压电传感器具有良好的高频响应特性。 结论： 电荷放大器能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此它也能起着阻抗变换的作用，其输入阻抗可高达1010~1012Ω，而输出阻抗可小于100Ω。 (2) 电荷放大器 Ca Ra q Cc Ri Ci -A ui uo Cf 压电式传感器与电荷放大器连接的基本电路及等效电路如下。 电荷前置放大器基本电路 电荷前置放大器等效电路 压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用 压电式步态分析跑台 压电式纵跳 训练分析装置 压电传感器测量双腿跳的动态力 2、压电式加速度传感器 压电加速度传感器结构形式主要有： 压缩型、剪切型和复合型。 它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。 压电式加速度传感器结构图 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数， 即 F=ma F——质量块产生的惯性力；m——质量块的质量；  a——加速度。 根据使用要求不同，压电式测压传感器有各种不同的结构形式。但它们的基本原理相同。 压电式测压传